光纤通信 普通高等教育十五 国家级规划教材 教学课件 作者 顾畹仪 第01章.ppt

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1、第一章光纤的基本理论1.1光纤的射线光学分析1.2阶跃折射率光纤的波动光学理论1.3渐变折射率光纤的理论分析1.4光纤的损耗1.5光纤的色散1.6光纤中的非线性光学效应1.7单模光纤1.8光纤的制造工艺和光缆的构造1.1光纤的射线光学分析1.1.1光纤的结构和分类光纤通信中所使用的光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。光纤的分类方法很多：按光纤横截面的折射率分布分类按光纤中的传导模式数量分类按光纤构成的原材料分类按光纤的套塑层分类1.按光纤横截面的折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可

2、以将光纤分为阶跃折射率分布光纤(简称阶跃光纤)和渐变折射率分布光纤(简称渐变光纤)，其折射率分布如图所示。2.按光纤中的传导模式数量分类根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤：光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信系统。多模光纤：光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传导模式。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。3.按光纤构成的原材料分类石英系光纤多组分玻璃光纤塑料包层光纤全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤4.按光纤的套塑层分类紧套光纤松套光纤

3、1.1.2多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析图示为阶跃光纤的子午光线。在多模阶跃光纤的纤芯中，光按直线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于光纤中纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2，所以在芯包界面存在着临界角φc。当光线在芯包界面上的入射角φ大于φc时，将产生全反射。若φ小于φc，入射光一部分反射，一部分通过界面进入包层，经过多次反射后，光很快衰减掉。可以形象地说阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在芯包界面上的全反射而使能量集中在纤芯之中传输。首先定义光纤的相对折射率差，这一参数直接影响光纤的性能：光纤通信中所用的光纤的一般小于1%，所以

4、可近似表示为形成导波的子午光线必须能在芯包界面上产生全反射。由光纤中光线在界面的全反射条件，可以推出临界角φc为那么光在纤芯端面的最大入射角max应满足可以定义光纤的数值孔径为数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出，n1，n2差别越大，即越大，光纤收集射线的能力越强。通信用光纤的数值孔径是较小的。假若在长为L的光纤中，走得最快的模式所用的时间为min，走得最慢的模式所用的时间为max，则最大时延差max为单位长度光纤的最大群时延差为最大时延差与相对折射率差成正比，使用弱导波光纤有助于减少模式色散。时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输

5、带宽。1.1.3渐变折射率光纤采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散。在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为n(0)、n2分别是r= 0处的和包层的折射率在渐变折射率光纤中，由于纤芯的折射率不均匀，光射线的轨迹不再是直线而是曲线。渐变折射率光纤的折射率分布可以表示为g是折射率分布指数，a是纤芯半径，r是纤芯中任意一点到轴心的距离。当g= ∞时，为阶跃折射率光纤的折射率分布。使群时延差减至最小的最佳折射率分布指数g为2左右。渐变折射率光纤中的子午射线，以不同入射角进入纤芯的光射线在光纤中传过同一距离时，靠近光纤轴线的射线所走的路程短

6、，而远离轴线所走的路程长。由于纤芯折射率是渐变的，n(r)随r的增加而减小，所以近轴处的光速慢，远轴处的光速快。当折射率分布指数g取最佳时，就可以使全部子午射线以同样的轴向速度在光纤中传输，这对模式色散起了均衡作用，从而消除模式色散，这种现象称做自聚焦，这种光纤称为自聚焦光纤。渐变折射率光纤中的子午射线从光纤端面入射的子午射线经过适当的距离会重新汇聚到一点，这些光线具有相同的时延。纤芯折射率分布为分析渐变折射率光纤中的射线传输轨迹时，可采用射线方程是轨迹上某一点的位置矢量，s为射线的传输轨迹，ds是沿轨迹的距离单元，为折射率的梯度本地数值孔径：光

7、纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变折射率光纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式为本地数值孔径与该点的折射率有关，该点的折射率越大，本地数值孔径就越大。1.2阶跃折射率光纤的波动光学理论1.2.1波动方程在光纤中传播的电磁波满足如下的麦克斯韦方程组电通量密度和磁通量密度与场矢量之间的关系有：矢量恒等式：得到电场和磁场的波动方程在光纤中介电常数的变化非常缓慢，可以近似认为，这时波动方程可以简化为如果电磁场做简谐振荡，由波动方程可以推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程k0= 2/是真空中的波数，是真空中的光波波长，n为介质的折射率在直角坐标系中

8、，、的x、y、z分量均满足标量的亥姆霍兹方程代表或的各个分量1.2.2波动方程的解和光纤中的模式标量近似解矢量解1.标量解当光纤的包层